GdVO4:Eu3+ 나노 입자 및 메틸렌 블루와의 복합체를 포함하는 수용액에서 활성 산소 종 생성

초록

이 편지에서 우리는 가돌리늄 오르토바나데이트 GdVO₄를 함유한 수용액에서 자유 라디칼 및 활성 산소 종(ROS) 생성에 대한 연구를 보고합니다. :Eu³⁺ 나노 입자(VNP) 및 메틸렌 블루(MB) 감광제와의 복합체. 촉매 활성은 UV-Vis 및 X-ray 조사에서 세 가지 방법(공액 디엔 테스트, OH·라디칼 및 일중항 산소 검출)으로 연구되었습니다. VNPs-MB 복합체는 VNP에 의한 OH 라디칼 생성의 고효율 및 VNP에서 MB 분자로의 비방사 여기 에너지 전달로 인한 MB에 의한 일중항 산소 생성 모두와 관련된 UV-Vis 조사 하에서 ROS 생성의 고효율을 나타내는 것으로 나타났습니다. . X선 조사와 달리 강한 OH^. VNP에 의한 라디칼 소거가 관찰되었습니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

방사선 요법(RT)은 모든 암 환자의 약 50%가 병이 진행되는 동안 RT를 받는 암 치료의 중요한 구성 요소입니다[1,2,3]. 방사선으로 인한 세포 사멸의 정확한 기전은 여전히 활발한 연구 영역입니다. 핵 DNA의 이중 가닥 파손은 세포의 재생산 완전성의 비가역적 손실과 궁극적인 세포 사멸을 초래하는 방사선의 가장 중요한 세포 효과로 간주됩니다[4]. 이러한 방사선 손상은 (i) 직접 이온화 및 (ii) 자유 라디칼 및 반응성 산소종(ROS)을 통한 간접 이온화로 인해 발생할 수 있습니다. 4]. 임상 치료에서 손상은 일반적으로 간접적인 이온화입니다. 이 과정에서 물은 전자를 잃고 반응성이 높아집니다. 그런 다음 3단계 연쇄 반응을 통해 물은 수화된 전자(${e}_{aq}^{-}\Big) $, 수소 원자( 하 ^∙ ), 하이드록실 라디칼 OH·, 하이드로퍼옥실 라디칼(${HO}_2^{.}\Big) $, 과산화수소(H₂ O₂ ) 및 수소 분자(H₂ ) [5, 6]. 수화된 전자와 수소 원자는 강력한 환원제입니다. 대조적으로, 하이드록실 라디칼은 매우 강한 산화 종이며 경로에 있는 모든 분자에서 전자를 즉시 제거하여 해당 분자를 자유 라디칼로 바꾸어 연쇄 반응을 전파합니다[5]. 용존 분자 산소가 조사된 물에 존재할 때, 그것의 환원은 슈퍼옥사이드 라디칼(${O}_2^{.-} $)을 생성하고 일중항 산소(¹ O₂ ) [7].

최근에는 높은 원자번호(Au, Ag, Hf, Gd, Ti계) 나노입자(NPs)[8,9,10,11], 반도체 나노입자(metal-oxide TiO₂ ZnO, CuO, CeO₂ , Al₂ O₃; 양자점 ZnS, ZnS, LaF₃ 등)[8, 12, 13, 14], 일부 무기 나노입자(탄소 나노튜브)[15, 16]는 RT의 효율성을 향상시킵니다. X선-NP 상호작용의 이론적 원리는 잘 설명되어 있습니다[8, 12, 14]. 고에너지 광자와 NP 격자의 캐스케이드 상호작용은 주로 광전 효과와 콤프턴 산란 효과를 통해 발생합니다. Compton, Photo- 또는 Auger-전자는 2차 전자의 방출을 유도할 수 있으며, 이 전자는 환경으로 빠져나갈 수 있고 NP의 표면 근처에 국한된 수용체(즉, 물, 생체 분자, 산소, 질소 산화물)에 의해 포획되어 유도 생체 분자 라디칼 및 ROS 생성 [8, 12, 14]. NP의 방사선 과민 효과는 NP와 X선 상호작용의 최종 단계로서 생체 분자 라디칼 및 ROS 생성과 관련이 있습니다. 금속산화물 나노입자와 같은 반도체 나노입자에서 ROS 생성과 관련된 세포독성 효과는 UV 조사에 의해서도 유발될 수 있다[17,18,19,20]. 메커니즘은 NP에 UV 광(밴드 갭보다 큰 에너지)이 조사되면 전하 분리가 유도되어 정공(h⁺ ) 가전자대 및 전자(e⁻ ) 전도성 밴드에서. 전자와 정공은 각각 높은 환원력과 산화력을 보인다[18]. 전자는 환원 과정을 통해 분자 산소와 반응하여 슈퍼옥사이드 라디칼(${O}_2^{\cdotp -} $)을 생성할 수 있는 반면, 정공은 물 및/또는 하이드록실 이온에서 전자를 추출하여 하이드록실 라디칼(OH)을 생성할 수 있습니다. ·) 산화 과정을 통해 [18,19,20]. TiO₂의 경우 , CEO₂ , Al₂ O₃ 및 ZnO 나노입자, ¹ O₂ $ {O}_2^{\cdotp -} $의 산화를 통한 생성이 보고되었다[18, 21, 22].

Chen과 Zhang[23]은 섬광 나노입자를 사용하여 암 치료(광역학 치료, PDT)의 효율성을 향상시키는 또 다른 접근 방식을 제안했습니다. 이 접근법은 X선 여기(신틸레이팅) NP와 광감작제(PS) 분자를 결합합니다. 신틸레이팅 NP는 종양 파괴를 위한 일중항 산소를 생성하는 PS로 X선 조사에서 수확된 에너지를 전달하는 에너지 변환기 역할을 합니다. 이 접근 방식은 심층 암 치료를 허용하고 PDT와 RT를 모두 향상시킵니다. 지금까지 다양한 신틸레이션 나노입자와 PS와의 복합체가 X선 유도성 광역학 작용제로 연구되어 왔다[12, 14, 23,24,25,26,27,28].

최근에 우리는 유로퓸 이온 GdVO₄로 도핑된 반짝이는 가돌리늄 오르토바나데이트 나노입자를 기반으로 하는 착물의 생성에 대해 보고했습니다. :Eu³⁺ (VNP) 및 메틸렌 블루(MB) 감광제 및 복합체에서 전자 여기 에너지 전달 연구 [29]. 복합체에서 효과적인 여기 에너지 전환으로 인해 X-선 유도성 광역학 에이전트로 유망할 수 있음이 나타났습니다. 이 논문의 목적은 UV 및 X선 조사에서 VNP 및 MB와 복합체를 포함하는 수용액에서 ROS 생성의 효율성을 연구하는 것입니다.

실험

화학물질

염화 가돌리늄 GdCl₃ ·6H₂ O(99.9%), 유로퓸 클로라이드 EuCl₃ ·6H₂ O(99.9%), 이나트륨 EDTA·2Na(99.8%), 무수 메타바나듐산나트륨 NaVO₃ (96%)는 Acros Organic(USA)에서 얻었고 모두 추가 정제 없이 사용되었습니다. 수산화나트륨 NaOH(99%)는 Macrohim(우크라이나)에서 구입했습니다. 나트륨 오르토바나데이트 Na₃ VO₄ NaVO₃ 수용액에 1M의 NaOH 용액을 첨가하여 용액을 얻었습니다. pH =13까지. 계란 노른자에서 얻은 L-a-포스파티딜콜린(PC), 양이온 염료 3,7-비스(디메틸아미노)페나자티오늄 클로라이드(메틸렌 블루(MB), M_w =373.90g/mol), 1,2-벤조피론(쿠마린, M_w) =146.14g/mol)은 Sigma-Aldrich(미국)에서 구입하여 받은 대로 사용했습니다. 안트라센-9,10-디프로피온산 이나트륨 염(ADPA, M_w =366.32g/mol)은 박층 크로마토그래피로 순도를 제어하는 Igor Borovoy 박사(Institute for Scintillation Materials, NAS of Ukraine)의 염료 수집에서 얻었습니다. 다른 모든 화학 물질은 분석 등급이었습니다.

GdVO의 합성₄ :Eu³⁺ 콜로이드 용액

유로퓸 이온 Gd_0.9로 도핑된 가돌리늄 오르토바나데이트 나노입자의 콜로이드 수용액 Eu_0.1 VO₄ (GdVO₄ :Eu³⁺ )는 앞서 보고된 방법에 따라 합성되었다[30]. 먼저 염화가돌리늄(1M) 수용액 0.4mL를 염화유로퓸(1M) 0.05mL와 혼합한 다음 이중 증류수 49.55mL를 혼합물에 첨가했습니다. 그 다음, 얻어진 용액을 37.5mL의 이나트륨 EDTA 용액(0.01M)과 혼합하였다. 그런 다음 Na₃ 37.5mL VO₄ (0.01M)을 적가했습니다(рН =10.5). 혼합물을 자기 교반기를 사용하여 집중적으로 교반하고 환류 콘덴서 하에 수조에서 100°C에서 24시간 동안 가열했습니다. 얻은 무색 투명한 용액은 측면 조명(Tyndall 원뿔) 아래에서 빛을 산란시킵니다. 그런 다음 용액을 냉각하고 24시간 동안 물에 대해 투석하여 과량의 이온을 제거했습니다. 이를 위해 얻은 용액을 투석 주머니(Cellu Sep T2, 분자량 컷오프 12KDa, 기공 크기 ~ 2.5nm)에 넣고 증류수가 든 2L 유리에 넣었습니다. 6시간마다 물을 새로 고쳤습니다.

계측 및 특성화

합성된 VNP는 투과 전자 현미경(TEM-125 K 전자 현미경, Selmi, Ukraine) 및 동적 광산란 방법(ZetaPALS 분석기, Brookhaven Instruments Corp., USA)을 사용하여 특성화되었습니다. 흡수 스펙트럼은 Specord 200 분광계(Analytik Jena, USA)를 사용하여 측정하였다. 형광 및 형광 여기 스펙트럼은 분광형광계 Lumina(Thermo Scientific, USA)로 촬영했습니다.

VNP-MB 복합체의 준비

조사를 위한 솔루션은 다음과 같이 준비되었습니다. 먼저 물(1mmol/L)에 녹인 MB의 원액을 준비했습니다. VNPs-MB 수용액을 얻기 위해 필요한 양의 염료 원액과 VNPs 수용액을 플라스크에 넣고 회전 증발기(Rotavapor R-3, Buchi)를 사용하여 1시간 동안 클로로포름이 완전히 증발할 때까지 조심스럽게 교반했습니다. 그런 다음, 1mL의 VNPs 수용액을 플라스크에 첨가하고 VNPs-MB 복합체 형성을 위해 1시간 동안 부드럽게 흔들었습니다. 얻어진 용액의 MB 농도는 10μmol/L였다. 나노 입자의 농도는 0.1, 1 또는 10mg/mL였습니다.

활성 산소 및 자유 라디칼 종 검출

VNPs, MB 또는 VNPs-MB 복합체를 포함하는 수용액의 UV/X-선 조사 하에서 ROS의 형성은 여러 방법을 사용하여 분광학적으로 검출되었습니다.

공액 디엔 형성 테스트

UV 조사 하에 지질 산화는 PC 리포솜 현탁액을 사용하여 측정하였다. Unilamellar PC 지질 소포는 압출법에 의해 제조되었다[31]. 간단히 말해서, 클로로포름 중 PC(25mg/ml)의 적당량을 플라스크에 넣고 회전 증발기(Rotavapor R-3, Buchi)를 사용하여 클로로포름이 완전히 증발할 때까지 건조했습니다. 그런 다음 얇은 지질 염료 필름을 10.8ml의 이중 증류수로 수화했습니다. 얻어진 지질 현탁액을 미니 압출기(Avanti Polar Lipids, Inc., USA)를 사용하여 100 nm 기공 크기의 폴리카보네이트 필터를 통해 최종적으로 압출하였다. PC의 농도는 1.2mmol/L였습니다. 공액 디엔 형성 시험을 위해 1mL의 PC 리포솜 현탁액을 1mL의 VNPs 수용액(MB 수용액 또는 VNPs-MB 수용액)과 혼합했습니다. 최종 MB 농도는 10μmol/L이고 VNP는 1g/L입니다. 용액의 PC 농도는 0.6mmol/L였습니다. 얻어진 수용액을 석영 큐벳(10 × 10 mm)에 넣고 250W 수은 램프(밴드 패스 l =310–400nm, 광속은 43W/cm² 입니다. ) 30분 동안 그런 다음, Specord 200 분광 광도계(Analytik Jena, Germany)를 사용하여 234nm(공액 디엔 최대값)에서 현탁액의 흡광도를 기록했습니다. 첨가제(NP, MB 또는 VNPs-MB 복합체) 없이 물에서 형성된 공액 디엔의 농도를 대조군으로 사용했습니다. 각 실험 포인트는 최소 3개의 독립적인 테스트의 평균값이었습니다. 통계 처리는 소프트웨어 패키지 Statistika v. 5.0(StatSoft, USA)을 사용하여 수행되었습니다.

OH· 라디칼 검출

UV 조사 하에 용액에서 히드록실 라디칼 형성을 검출하기 위해 coumarin을 프로브 분자로 사용했습니다. Coumarin은 OH· 라디칼과 반응하여 형광성이 높은 7-hydroxycoumarin을 생성합니다[32, 33]. 실험 절차는 다음과 같았다. 쿠마린 수용액(0.1mmol/L)을 MB(10μmol/L), VNP(0.1, 1 또는 10g/L) 또는 VNP-MB 수용액과 혼합했습니다. 얻어진 수용액을 석영 큐벳(10 × 10mm)에 넣고 He-Cd 레이저 λ를 조사했습니다. _예외 =1시간 동안 325nm X선 조사의 경우, 큐벳은 텅스텐 음극이 있는 ISOVOLT 160 Titan E 장치를 사용하여 30분 동안 X선으로 (개방된 부분부터) 큐벳을 조사했습니다. 튜브의 전압은 30kV(20mA)였습니다. X선관에서 조사된 시료까지의 거리는 25cm였습니다. 용액의 형광 스펙트럼(325nm에서 여기됨)은 분광형광계 Lumina(Thermo Scientific, USA)로 기록되었습니다. 7-하이드록시쿠마린 형광의 상대 강도를 분석했습니다.

단일항 산소 감지

¹ O₂ ADPA 형광 스펙트럼 평가에서 VNP, MB 또는 VNP-MB 복합체를 포함하는 용액에서의 생산이 분석되었습니다[34, 35]. 측정은 석영 큐벳(10 × 10 mm)에서 수행되었습니다. ADPA 수용액(10μmol/L)을 큐벳에서 MB(10μmol/L), NP(1g/L) 또는 VNPs-MB 수용액과 혼합했습니다. 용액은 High Stability Blue Solid State Laser MBL-457, 50mW(Changchun New Industries Optoelectronics Tech. Co., Ltd.)를 사용하여 457nm에서 조사되었습니다. 378 nm에서 여기된 ADPA의 형광 방출은 분광형광계 Lumina(Thermo Scientific, USA)를 사용하여 다양한 시간 규모(0, 10, 20, 30, 40, 60분)에서 수집되었습니다.

결과 및 토론

합성된 VNP의 특성

그림 1a 및 추가 파일 1:그림 S1은 GdVO₄를 지원하는 측면 분포 히스토그램 및 XRD 패턴이 있는 합성 VNP의 TEM 이미지를 보여줍니다. :Eu³⁺ NPs 결정 구조. 합성된 GdVO₄ :Eu³⁺ NP는 8 × 25 nm ± 5 nm 크기와 지르콘 유형의 정방정계 상 구조를 가진 스핀들 모양입니다. NPs 표면의 음전하(ζ-전위는 - 18.75 ± 0.15mV, pH =.8임)는 합성 중에 사용된 이나트륨 EDTA 안정제의 카르복실레이트기 때문입니다. GdVO₄의 초과 유체역학적 직경 :Eu³⁺ 나노 입자는 44.0 ± 0.3nm입니다. GdVO₄의 흡수 스펙트럼 :Eu³⁺ NP는 산소 리간드에서 ${VO}_4^{3-} $ 그룹의 바나듐 원자로의 전하 이동에 해당하는 250–350nm 스펙트럼 범위의 강렬한 광대역을 나타냅니다(그림 1b) [36 ]. 도핑 GdVO₄ Eu³⁺ 의 NP 이온은 적색 스펙트럼 범위에서 VNP에 강한 형광을 부여하며, 이는 유로퓸 이온의 f-전자 구성 내 전이에 의해 제어됩니다[37](이 백서에서는 논의되지 않음).

<그림>

TEM 이미지(a ), 흡수 스펙트럼(b ) 및 (αhv의 에너지 의존도) )² (ㄷ )의 GdVO₄ :Eu³⁺ 나노입자

나노입자의 크기는 반도체 재료의 광에너지 갭에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 밴드 갭 에너지, E _g 는 Tauc의 관계에 따라 대역 간 전이의 흡수단 파장에서 추정할 수 있습니다[38]:

$$ {\left(a\mathrm{hv}\right)}^{\left(1/n\right)}=A\cdot \left(\mathrm{hv}-{E}_g\right), $ $ (1)

여기서 는 흡수 계수, hv는 입사 광자 에너지, A 에너지 독립 상수(밴드 테일링 매개변수), n 는 상수(전이 모드의 역률)로, 재료 특성(결정 또는 비정질)에 따라 다릅니다. n의 값 전환의 특성을 나타냅니다. n =1/2 직접 허용 전환, n =3/2 직접 금지된 전환, n =2 간접 허용 전환 및 n 간접 금지 전이의 경우 =3[39]. GdVO₄ n은 직접 갭 반도체입니다. =1/2 [40] 따라서, Eq. (1) 다음과 같이 다시 쓸 수 있습니다.

$$ {\left(\alpha \mathrm{hv}\right)}^2=A\cdot \left(\mathrm{hv}-{E}_g\right) $$ (2)

흡수 계수(a )는 흡광도에서 a로 계산됩니다. =2.303D /나 , 여기서 D 흡광도 및 l 광 경로 길이입니다.

그림 1c는 (a hv)² 합성된 GdVO₄용 :Eu³⁺ 나노 입자. 밴드 갭 값 E _g (a hv)² 곡선 대 광자 에너지 hv를 0으로. 얻은 값 E _g =4.13 eV GdVO₄에 대해 보고된 것보다 높습니다. :Eu³⁺ 14.4~43nm(3.56–3.72eV) 범위의 결정자 크기를 가진 분말[41, 42]. 우리는 우리의 경우 열수 또는 Pechini의 방법으로 얻은 것과 비교하여 좁고 파란색으로 이동된 흡수 밴드를 가진 더 작은 NP를 제공하는 합성 방법의 차이로 인해 발생할 수 있다고 가정합니다.

광유도 자유 라디칼 생성(공액 디엔 테스트)

일반적으로 ROS의 트리 유형($ \mathrm{OH}\cdotp, {\mathrm{O}}_2^{\cdotp -} $ 및 ¹ O₂ ) UV 조사 하에 NP 시스템에서 생성되는 것은 생물학적 시스템에서 주요 산화 스트레스에 기여합니다[43, 44]. TiO₂와 같은 금속 산화물 나노입자의 광촉매 활성 , ZnO, CuO, CeO₂ , Al₂ O₃ 및 Fe₂ O₃ 잘 설명되어 있지만 [17,18,19,20] ReVO₄의 광촉매 활성에 대한 연구는 거의 없습니다. NP [45,46,47,48]. ReVO₄ NP는 유기 오염 물질의 광촉매 파괴에 효과적입니다. 그러나 ReVO₄에 의해 생성된 ROS 유형에 대한 연구는 없습니다. UV 조사 아래의 NP.

생물학적 환경을 모방하기 위해 PC 리포솜 현탁액을 사용하고 지질 산화에 대한 MB, VNP 또는 VNP-MB 복합체를 포함하는 현탁액에서 UV 조사 하에서 자유 라디칼 생성을 검출했습니다(공액 디엔 형성 테스트) [49,50,51]. 라디칼 연쇄 반응을 통한 분자 산소에 의한 지질 산화는 ROS와 자유 라디칼이 시스템에 나타날 때 이온화 방사선에 의해 시작될 수 있습니다[43, 44]. 다중불포화 지방산과 관련된 라디칼 연쇄 반응은 이중 결합의 재배열을 일으켜 공액 디엔을 생성합니다. 생성된 공액 디엔은 234nm에서 광도계로 감지할 수 있는 흡수 밴드를 나타냅니다. 그림 2는 MB, VNP 또는 VNP-MB 복합체를 포함하는 지질 현탁액에서 형성된 공액 디엔의 상대 농도를 보여줍니다. 모든 용액에서 순수한 PC 리포솜 현탁액과 비교하여 공액 디엔의 농도가 증가함을 알 수 있습니다. 그러나 이 프로세스의 효율성은 다릅니다. 메틸렌 블루는 주요 흡수 최대값이 λ인 기존의 감광제 분자 중 하나입니다. _최대 =665nm 및 UV 스펙트럼 범위에서 덜 강한 흡수 대역(추가 파일 1:그림 S2). MB의 UV 조사에서 두 가지 주요 광화학 공정이 발생할 수 있습니다[34, 52]. UV 빛에 의해 여기된 MB는 시스템 간 교차 과정을 거칩니다(Q _p =0.54 [53]) 수명이 긴 삼중항 상태(³ MB^* ) 및 산소 분자와 반응합니다(³ O₂ ) 일중항 산소 형성(¹ O₂ ):

$$ {\mathrm{MB}}^{+}+ hv\to {}^3{\mathrm{MB}}^{+^{\ast }} $$ (3) $$ {}^3{\ mathrm{MB}}^{+^{\ast }}+{}^3{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{MB}}^{+}+{}^1{\mathrm{O }}_2 $$ (4) <그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-018-2514 -5/MediaObjects/11671_2018_2514_Fig2_HTML.gif?as=webp">

지질 현탁액에서 공액 디엔 형성의 상대 효율:1 - 첨가제 없음; 2 - MB 포함; 3 - VNP 포함; 4 - VNP-MB 컴플렉스 포함

두 번째 광화학 공정은 높은 MB 농도에서 발생할 수 있습니다. 기저 상태 MB 분자는 MB 삼중항에 전자를 제공하고 각각 반환원 라디칼(MB·) 및 반환원 라디칼을 형성하는 환원제로 작용할 수 있습니다(MB^{· 2+} ) [52]:

$$ {}^3{\mathrm{MB}}^{+^{\ast }}+{\mathrm{MB}}^{+}\to \mathrm{MB}\cdotp +{\mathrm{MB} }^{\cdotp 2+} $$ (5)

분자 산소에 의한 MB·의 산화는 바닥 상태 염료를 반환하고 슈퍼옥사이드 라디칼 생성을 유도합니다($ {O}_2^{\cdotp -} $):

$$ \mathrm{MB}\cdotp +^3{\mathrm{O}}_2\kern0.5em \to {\mathrm{MB}}^{+}+{O}_2^{\cdotp -} $$ (6)

반응 (4)-(6)에서 형성된 일중항 산소 및 초과산화물 라디칼 및 MB 라디칼은 지질 산화 과정에 영향을 미칠 수 있습니다. MB 이량체 형성이 관찰되지 않는 희석 용액([MB] <20 μM)에서는 반응 (3)과 (4)가 우세합니다[52]. 그러나 VNPs 표면 내 MB 농도 증가로 인해 VNPs-MB 복합체에서 [29] 두 번째 광화학 공정이 발생할 수 있습니다. 따라서 MB를 포함하는 지질 현탁액에서 공액 디엔 형성의 증가는 MB 작용으로 설명할 수 있습니다. ¹ O₂ UV 조사에서 광 발생기. 이 프로세스의 효율은 장파장 흡수 최대값 내에서 MB 여기에서보다 훨씬 작습니다.

GdVO₄를 포함하는 정지에서 :Eu³⁺ 나노 입자, 지질 산화가 더 효과적입니다. 이 효과는 UV 조사에서 VNP의 광촉매 거동에 기인할 수 있습니다. 전도성 밴드 전자(e⁻ ) 및 가전자대 구멍(h⁺ ) UV 조사(E> E _g ) 다음 반응에 의해 NP 표면에 흡착된 분자 산소 및 물 분자와 상호작용할 수 있습니다[18, 20, 47]:

$$ {}^3{\mathrm{O}}_2+{e}^{-}\to \kern0.5em {\mathrm{O}}_2^{.-} $$ (7) $$ {\mathrm {H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{h}}^{+}\to \mathrm{OH}\cdot $$ (8)

물 광분해 동안 형성되고 NP 표면에 흡착된 수산기 이온은 또한 정공과 상호작용하여 수산기 라디칼을 생성할 수 있습니다.

$$ {\mathrm{OH}}^{-}+{\mathrm{h}}^{+}\to \mathrm{OH}\cdot $$ (9)

더욱이, $ {O}_2^{\cdotp -} $의 산화는 일중항 산소를 생성한다 [18, 21, 22]:

$$ {\mathrm{O}}_2^{\cdotp -}+{\mathrm{h}}^{+}{\to}^1{\mathrm{O}}_2 $$ (10)

수소 이온과의 반응으로 과산화수소가 형성됩니다.

$$ 2{\mathrm{O}}_2^{\cdotp -}+2{\mathrm{H}}^{+}\to {\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2 $$ (11)

전자와의 상호작용의 결과로 수산기 라디칼 및 수산기 이온이 형성될 수 있습니다.

$$ {\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{OH}\cdot +{\mathrm{O}\mathrm{H} }^{-} $$ (12)

따라서 VNP를 포함하는 현탁액에서 공액 디엔 농도의 효율성 증가(그림 2, 열 3)는 반응 (7)-(12)를 통해 생성되고 지질 산화를 촉진하는 생성물에 기인할 수 있습니다.

복합체 VNPs-MB를 포함하는 지질 현탁액에서 가장 높은 공액 디엔 농도는 반응 (3)-(6) 및 반응 (7)-(12)를 통해 생성된 생성물에 의해 설명될 수 있습니다(그림 2, 열 4). 더욱이, 반응 (3)과 (4)의 VNPs-MB 복합체에서 일중항 산소 생성은 직접적인 MB 여기와 VNP에서 MB로의 비방사 여기 에너지 전달을 통해 발생할 수 있으며 이는 이 구성에서 다소 효과적입니다[29].

하이드록실 라디칼 검출

다음 단계는 OH· 및 ¹ 의 효율성을 보다 정확하게 조사하는 것이었습니다. O₂ UV/X-선 조사 하에 용액에서 생성. Coumarin은 고려 중인 용액에서 수산기 라디칼의 출현을 검증하기 위한 프로브 분자로 사용되었습니다. OH· 라디칼은 UV/X-ray 조사하에서 물의 광분해/방사선 분해의 주요 생성물 중 하나인 것으로 알려져 있다[5, 6]. 수용액에서 OH· 라디칼은 쿠마린 분자와 상호작용하여 새로운 밴드(λ _최대 ~ 460nm) 쿠마린 형광 밴드(λ)에 대해 장파장 스펙트럼 영역으로 이동 _최대 ~ 400nm), 그림 3[32, 33]. 용액에서 OH· 라디칼의 농도가 높을수록 쿠마린 산화가 더 효과적이며 결과적으로 장파장 대역이 더 강해집니다. 따라서 장파장 대역의 상대 강도 분석은 다양한 요인의 영향을 받는 용액의 OH·라디칼 농도에 대한 정보를 제공할 수 있습니다.

<그림>

형광성 7-하이드록시쿠마린을 형성하기 위한 하이드록실 라디칼과 쿠마린의 반응. 쿠마린 수용액의 정규화된 형광 스펙트럼, λ _예외 =325nm

UV 조명 1시간 후 측정된 MB, VNPs 또는 VNPs-MB 복합체를 포함하는 쿠마린 수용액의 형광 방출 스펙트럼은 그림 3에 나와 있습니다. 첨가물(대조군)이 없는 쿠마린 수용액의 UV 조사가 유발하는 것으로 나타났습니다. OH· 라디칼 생성 및 쿠마린 산화를 나타내는 새로운 장파장 형광 밴드의 형성(그림 3). 용액에 MB 분자가 있는 경우 이 밴드의 상대적 강도는 변하지 않으므로 MB가 OH· 라디칼 생성에 미치는 추가 효과가 없음을 나타냅니다(그림 3). VNP를 함유한 용액에서 UV 조사 하에서 VNP의 광촉매 활성으로 인해 7-하이드록시쿠마린 밴드의 강도가 현저하게 증가한다(그림 3), 반응 (8), (9) 및 (12). 535~540nm 주변의 날카로운 피크는 GdVO₄의 유로퓸 이온 형광에 속합니다. :Eu³⁺ 나노 입자(구성 내 전환). VNPs-MB 복합체를 포함하는 용액에서 7-하이드록시쿠마린 밴드의 상대 강도는 덜 효과적인 OH· 라디칼 생성을 가리키는 VNP를 포함하는 용액에 비해 약 2배 더 작았습니다(그림 3). 이는 VNP 표면 내의 MB 염료 흡착이 물 분자와 수산기 이온 흡착을 방지할 수 있고 결과적으로 반응 (8) 및 (9)를 통한 OH·라디칼 생성과 관련된 VNP의 광촉매 활성을 감소시킬 수 있다는 사실에 의해 설명될 수 있습니다. 더욱이, VNPs-MB 복합체에서 흡착된 에너지의 일부는 MB 분자로 비방사성으로 전달되어 전자-정공 쌍 생성의 효율성을 감소시키고 결과적으로 이러한 복합체에서 OH· 라디칼 생성을 위한 VNP 능력을 감소시킵니다. 피>

VNP를 포함하는 용액의 X-선 조사에서 예상치 못한 결과가 관찰되었습니다(그림 4). UV 조사의 경우와 달리 7-hydroxycoumarin 밴드의 상대 강도가 나노입자가 없는 coumarin 수용액과 비교하여 감소함을 관찰했습니다. 이는 물 방사선 분해의 결과로 용액에 형성된 OH· 라디칼의 소거를 나타냅니다. 관찰된 효과는 VNP 농도에 크게 의존합니다(그림 4). ROS 스캐빈저 역할을 하는 나노입자의 능력에 관한 주요 논의는 주로 CeO₂에 초점을 맞추고 있습니다. 나노결정(나노세리아) [54,55,56,57]. 나노세리아가 ROS 제거제 역할을 하도록 하는 주요 특징은 일반적으로 높은 산소 결손 및 Ce³⁺ 함량에 기인합니다. 나노세리아의 이온과 3+와 4+ 산화 상태 사이의 전환. 그러나 나노세리아의 생물학적 활성이 크기와 자가 재생 메커니즘에 미치는 중요한 의존성은 아직 논의 중입니다[54,55,56,57]. 우리는 또한 GdVO₄의 보호 효과에 주목합니다. :Eu³⁺ 그리고 CEO₂ X선에 의한 손상에 대한 나노입자는 우리 그룹의 초기 생체내 실험에서 관찰되었습니다[57]. 우리가 아는 한, GdVO₄의 능력 :Eu³⁺ 엑스선 조사에 의해 수용액에서 발생하는 OH·라디칼을 쓸어버리는 나노입자를 처음으로 관찰한 바 있어 보다 심도 있는 연구가 필요하다.

<사진>

30분의 X선 조사 후 기록된 다양한 농도의 VNP를 포함하는 쿠마린 수용액의 정규화된 형광 스펙트럼

단일 산소 생성

¹ 의 VNP-MB 복합체의 효율성을 평가하려면 O₂ 물에서 생성, 우리는 비형광 엔도퍼옥사이드 ADPAO₂의 형성과 함께 일중항 산소에 의한 방법 기반 ADPA 산화를 사용합니다. (그림 5). 따라서 일중항 산소가 있는 경우 ADPA 형광은 비가역적으로 소멸됩니다. UV 조사에서 ADPA 분자는 MB, VNP 또는 VNP-MB 복합체의 식별을 복잡하게 만드는 강한 광표백을 겪습니다. ¹ O₂ 세대. 이 단점을 극복하기 위해 Eu³⁺ 의 여기 피크 중 하나와 일치하는 457nm에서 레이저 조사를 적용합니다. GdVO₄에 도핑된 이온 나노결정(추가 파일 1:그림 S3). 그림 5는 ADPA 분자가 457nm 빛의 조사에서 광화학 반응을 겪지 않는다는 것을 보여줍니다. MB를 포함하는 용액에서 시간에 따른 ADPA 강도의 약간의 감소가 관찰될 수 있으며(그림 5), 이는 MB가 이 파장에서 약간의 여기와 반응 (3) 및 (4)에 따른 감광제로 작용하는 것과 관련이 있습니다. VNP를 포함하는 용액에서도 동일한 효과가 관찰되었으며(그림 5) VNP의 표면에 ${O}_2^{\cdotp -} $ 라디칼이 형성되기 때문일 수 있습니다(반응 (7)). 반응 (10)에 따른 산화에 의해 일중항 산소 생성. VNPs-MB 복합체에서 더 강한 ADPA 형광 소광이 관찰됩니다. 이 프로세스의 효율성은 MB 또는 VNP가 있는 솔루션에서보다 2배 더 높습니다. VNP-MB 복합체를 포함하는 용액에서 일중항 산소 생성의 더 높은 효율은 VNP가 MB 광민감제의 에너지 변환기 역할을 하는 복합체의 VNP에서 MB로의 에너지 전달과 관련이 있습니다.

<그림>

엔도퍼옥사이드 ADPAO를 형성하기 위한 일중항 산소와 ADPA의 반응₂ . λ 조사 후 ADPA 광표백 =수용액에서 457 nm

Unfortunately, due to ADPA sensor instability, we were not successful to measure the efficiency of the ¹ O₂ generation in water solution under X-ray excitation.

결론

The efficiency of ROS generation in water solutions containing GdVO₄ :Eu³⁺ nanoparticles and their complexes with MB have been analyzed under UV-Vis and X-ray irradiation by three methods (conjugated dienes test, OH· radical, and singlet oxygen detection). Complexes VNPs–MB reveal high efficiency of ROS generation under UV-Vis irradiation associated with both high efficiency of OH· radicals generation by VNPs and ¹ O₂ generation by MB due to nonradiative excitation energy transfer from VNPs to MB molecules. For the first time, the strong OH· radicals scavenging by VNPs has been observed under X-ray irradiation. Our observation indicates that VNPs–MB complexes can be potentially used to activate photodynamic therapy.